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Gebiet der Offenbarung
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Dämpfungssysteme im Allgemeinen, und genauer auf Systeme und Verfahren für das Bereitstellen einer DC-Bus-Resonanzdämpfung.
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Hintergrund der Offenbarung
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In Anwendungen der elektrischen Energieumwandlung kommen häufig Leistungsschaltvorrichtungen, wie z. B. Spannungsquellenwechselrichter aufgrund ihres höheren Wirkungsgrades und ihrer hohen Leistungsdichten zum Einsatz. Diese Leistungsumwandlung wird durch das kontinuierliche und schnelle An- und Abschalten der Leistungseingänge erzielt, durch deren Einsatz die gewünschten Leistungsabgaben erreicht werden können. Es bestehen jedoch dahingehend Bedenkendass durch die schnelle Umschaltung hohe Geräuschpegel erzeugt werden. Da Buskondensatoren mit anderen Buskondensatoren Resonanzkreise bilden, fließen bei und um Resonanzfrequenzen hohe Ströme, was, falls keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden, zu erheblichen Verlusten in den Buskondensatoren und Verbindungsleitern führen kann. Besonders ausgeprägt sind solche Bedenken bei Vorrichtungen mit Kondensatoren, die einen sehr geringen Innenwiderstand aufweisen.
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Um solche Bedenken auszuräumen, bedarf es in der Technik eines kostengünstigen Systems, das in der Lage ist, wünschenswert niedrige Netzfrequenzen zu übertragen und gleichzeitig unerwünschte höhere Resonanzfrequenzen zu dämpfen.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Gemäß einem Aspekt der gegenwärtigen Offenbarung wird ein System, das diese Resonanzdämpfung bietet, bereitgestellt. Das System umfasst einen Stromerzeugungsschaltkreis, der so konfiguriert ist, dass er einen Gleichstrombus (DC-Bus) mit Strom versorgen kann. Der DC-Bus beinhaltet einen ersten sowie einen zweiten Verbindungsleiter. Jeder der ersten Verbindungsleiter und der zweiten Verbindungsleiter werden so angeordnet, dass ein Strom, der entweder im ersten oder im zweiten Verbindungsleiter induziert wird, ein entsprechendes Magnetfeld mit einer Vielzahl von magnetischen Feldlinien erzeugt, die sich in einer Richtung erstrecken, die gemeinhin senkrecht zu einer ersten Richtung des Stromflusses verläuft. An den DC-Bus sind mindestens zwei Leistungswandlerschaltungen gekoppelt. Ein Dämpfungselement, das mit einem oder beiden der ersten Verbindungsleiter und dem zweiten Verbindungsleiter gekoppelt oder benachbart angeordnet ist, wobei das Dämpfungselement so angeordnet ist, dass die Vielzahl von magnetischen Feldlinien eine Vielzahl von Wirbelströmen mit einer zweiten Richtung des Stromflusses in mindestens einer Oberfläche des Dämpfungselements induziert, um eine Resonanzdämpfung des Systems bereitzustellen.
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Weitere Merkmale und Aspekte werden unter Berücksichtigung der detaillierten Beschreibung sowie aus den dazugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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Die detaillierte Beschreibung der Zeichnungen bezieht sich auf die beigefügten Figuren, in denen:
- 1 ein Blockdiagramm eines Systems zum Steuern eines Motors gemäß einer Ausführungsform darstellt;
- 2 eine schematische Darstellung eines dualen Wechselrichtersystems darstellt, das einen Gleichstrombus und ein Dämpfungselement gemäß einer Ausführungsform enthält;
- 3A eine perspektivische Ansicht eines Dämpfungselements gemäß einer Ausführungsform darstellt;
- 3B eine perspektivische Ansicht eines Dämpfungselements gemäß einer Ausführungsform darstellt;
- 3C eine perspektivische Ansicht eines Dämpfungselements gemäß einer Ausführungsform darstellt;
- 3D eine Seitenansicht des Dämpfungselements von 3A gemäß einer Ausführungsform darstellt;
- 3E eine perspektivische Ansicht eines Dämpfungselements gemäß einer Ausführungsform darstellt;
- 4a eine schematische Darstellung eines dualen Wechselrichtersystems darstellt, das über einen Gleichstrombus und ein Dämpfungselement gemäß einer Ausführungsform verfügt;
- 4B eine seitliche Querschnittsansicht des Gleichstrombusses und des Dämpfungselements aus 4A gemäß einer Ausführungsform darstellt.
- 5a eine schematische Darstellung eines dualen Wechselrichtersystems darstellt, das über einen Gleichstrombus und ein Dämpfungselement gemäß einer Ausführungform verfügt; und
- 5B eine schematische Darstellung eines Dämpfungselements in einem dualen Wechselrichtersystem der 5B gemäß einer Ausführungsform darstellt.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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Unter Bezugnahme auf 1 ist ein System 100 für das Steuern eines Motors 165 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Das System 100 kann eine Stromerzeugungsschaltung 102 enthalten, die eine Gleichstromquelle (DC), elektrisch mit einer Filterschaltung 104 gekoppelt, mindestens ein Dämpfungselement 106 und eine elektronische Schaltung, wie beispielsweise eine Leistungsumkehrschaltung 108 über einen DC-Bus 150 enthalten kann. Obwohl nicht in anderen Ausführungsformen dargestellt, kann die Stromerzeugungsschaltung 102 auch eine Wechselstromquelle (AC) beinhalten, die mit einer Umrichtervorrichtung gekoppelt ist, die den erforderlichen Gleichstrom an den DC-Bus 150 liefert.
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Wie in 1 dargestellt, kann die Filterschaltung 104 an einem Eingang der Leistungsumkehrschaltung 108 angebracht werden, um eine unerwünschte Lärmentwicklung und/oder die Größe der auf dem DC-Bus 150 dargestellten Kräuselspannungen zu verringern. In einigen Ausführungformen kann die Filterschaltung 104 ein kapazitives Element beinhalten, das mit einem Widerstandselement in Reihe geschaltet wird (siehe z. B. 2), jedoch in anderen Ausführungsformen variieren kann. So kann beispielsweise wie in die Filterschaltung 10 in weiteren Ausführungsformen Buskondensatoren, induktive Elemente, RC-Filter oder andere geeignete Filterkomponenten beinhalten.
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Mindestens ein Dämpfungselement 106 kann elektrisch mit der Leistungsumkehrschaltung 108 gekoppelt und zur Bereitstellung einer Dämpfung von Resonanzfrequenzen angeordnet sein. Wie im Folgenden unter Bezugnahme auf 3A-5B dargestellt, kann das Dämpfungselement 106 mit den entsprechenden DC-Verbindungsleitern gekoppelt oder parallel zueinander angeordnet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Leistungsumkehrschaltung 108 einen oder mehrere Wechselrichter (2) beinhalten, die konfiguriert sind, Schaltvorgänge durchzuführen, um die DC-Busspannung in einen AC-Ausgang (z.B. einen dreiphasigen AC-Ausgang) umzuwandeln, der von einer externen Last, wie z. B. dem Motor 165 verwendet wird, die eine asynchrone oder synchrone elektrische Maschine beinhalten kann.
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Wie von den Fachleuten geschätzt wird, dient 1 lediglich illustrativen und exemplarischen Zwecken und beabsichtigt in keiner Weise die vorliegende Offenbarung oder ihre Anwendungen einzuschränken. Die Anordnung und/oder der strukturelle Aufbau des Systems 100 können und werden in anderen Ausführungformen variieren. Wie hierin erläutert, kann z. B. das System 100 eine Vielzahl von Dämpfungselementen und Schaltungskonfigurationen oder weniger oder mehr Schaltungskomponenten beinhalten. Darüber hinaus kann das System 100 in einigen Ausführungsformen auch Überschutzschaltungen beinhalten, die sowohl zur Überwachung der allgemeinen Busauslastung als auch der Überlastbedingungen verwendet werden. Zudem ist das System 100 in Größe und Leistung skalierbar (d. h. die Wahl der Komponentengröße und Leistungsdichte kann erhöht oder verringert werden), abhängig von Anwendungs- und/oder Spezifikationsanforderungen.
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Unter Bezugnahme auf 2 wird nun eine schematische Darstellung eines in einem Doppelwechselrichtersystem 200 angeordneten DC-Zwischenkreises 250, 252 einer Ausführungsform entsprechend dargestellt. Das duale Wechselrichtersystem 200 kann in Ausführungformen eine erste Leistungsumkehrschaltung 208a beinhalten, die parallel mit einer zweiten Leistungsumkehrschaltung 208b über DC-Verbindungsleiter 251a, 251b, 253a, 253b gekoppelt ist, die jeweils so angeordnet sind, dass sie die erforderliche Wechselstromleistung an die jeweiligen elektrischen Maschinen 265a, 265b bereitstellen.
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Zur Vereinfachung sind in 2 jeweils die Leistungsumkehrschaltungen 208a, 208b mit den Filterschaltungen 204a, 204b und den Leistungsschaltkreisen 207a, 207b dargestellt. Bei einigen Ausführungsformen können die Leistungsschaltkreise 207a, 207b eine Vielzahl von Schaltvorrichtungen beinhalten, die so konfiguriert sind, dass sie einen bestimmten Phasenausgang (z. B. U-Phase, V-Phase, W-Phase) erzeugen, der am Eingang einer der jeweiligen elektrischen Maschinen, 265a und 265b, anliegt. Wie in Bezug auf 1 kurz erläutert, kann jede der Filterschaltungen 204a und 204b mindestens einen Buskondensator 212a, 212b beinhalten, der mit einem äquivalenten Serienwiderstand 210a, 210b zwischen den positiven und negativen Verbindungsleitern 251a, 251b, 253a, 253b in Reihe geschaltet wird (2). Wie in 2 als Beispiel dargestellt, kann der DC-Bus (d. h. DC-Bus 250, 252) über die ersten und zweiten Verbindungsleiter 251b und 253b elektrisch mit dem Buskondensator 212a oder 212b gekoppelt werden. Zwischen den in den Filterschaltungen 204a und 204b angeordneten Filterkomponenten (z. B. Kondensatoren 212a, 212b) und einem induktiven Element 256, z. B. dem Verbindungsleiter 251a oder 253a, kann ein Resonanzkreis gebildet werden.
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Ein Dämpfungselement 206 kann mit dem DC-Bus 250, 252 gekoppelt werden und ist so angeordnet, dass eine starke Resonanzkopplung der Filterkomponenten des Resonanzkreises unterbunden wird. Das Dämpfungselement 206 kann z. B. auf eine Weise konfiguriert werden, dass hochfrequente Ströme gedämpft werden, die, wann immer Resonanzbedingungen vorliegen, am Eingang jeder der Leistungsumkehrschaltungen 265a, 265b hervorgerufen werden könnten. Das Dämpfungselement 206 kann eine Vielzahl von geeigneten Konfigurationen beinhalten, die im Folgenden anhand 3A-5 näher erläutert werden, die aufgrund von Anwendungs- und/oder Konstruktionsspezifikationen ausgewählt werden können.
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Unter Bezugnahme auf FIG.. 3A-3E sind verschiedene Ausführungsformen des Dämpfungselements 206 dargestellt. In einigen Ausführungsformen die sich nun auf 3A und 3B beziehen, kann ein Dämpfungselement 306 eine erste röhrenförmige Struktur 320a und eine zweite röhrenförmige Struktur 320b beinhalten, die so angeordnet sind, dass sie einen äußeren Umfang eines jeweiligen DC-Verbindungsleiters 351a, 351b, 353a, 353b umschließen. Jede der ersten und zweiten rohrförmigen Strukturen 320a und 320b kann ein metallisches Material oder andere geeignete Materialien umfassen, das, um die Wärmeabfuhr zu erleichtern, Wirbelströme leiten kann.
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Wie in 3A und 3B dargestellt, kann die erste rohrförmige Struktur 320a so angeordnet werden, dass sie die ersten DC-Verbindungsleiter 351a, 353a umschließt, und die zweite rohrförmige Struktur 320b kann so bemessen werden, dass sie die zweiten DC-Verbindungsleiter 351b, 353b aufnehmen und umschließen kann. Die strukturelle Anordnung der rohrförmigen Strukturen 320a und 320b kann, je nach Design und Spezifikationsanforderungen, in verschiedenen Ausführungsformen variieren. So kann z. B. in einigen Ausführungsformen jede der rohrförmigen Strukturen 320a und 320b ein Metallrohr mit einem Innenquerschnitt aufweisen, der einer geometrischen Konfiguration des Außenumfangs der DC-Verbindungsleiter 351a, 351b, 353a und 353b entspricht.
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In weiteren Ausführungsformen kann das Dämpfungselement eine oder mehrere nicht kontinuierliche Strukturen aufweisen, wie sie in 3C und 3D dargestellt sind. In einer Ausführungsform kann z. B. ein Dämpfungselement 308 eine nicht-kontinuierliche Struktur, wie z. B. die rohrförmigen Strukturen 322a, 322b aufweisen, welche jeweils über ferromagnetische oder nicht-ferromagnetische Eigenschaften und einen darin ausgebildeten beabstandeten Abschnitt 327 verfügen (3C) Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn beispielsweise die rohrförmigen Strukturen 322a, 322b aus ferromagnetischen Materialien bestehen, da sie es ermöglicht, die Grenzfrequenz des Dämpfungselements 308 abzustimmen.
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In 3D wird ein Dämpfungselement 310 dargestellt. In einigen Ausführungsformen kann das Dämpfungselement 310 rohrförmige Strukturen mit zwei oder mehr Strukturelementen, wie z. B. den Struktureinheiten 324a, 326a und 324b, 326b, 326b beinhalten, die beabstandet zueinander benachbart angeordnet sind. Ähnlich wie bei der obigen Ausführungsform, die unter Bezugnahme auf 3C erläutert wird, ermöglichen die nicht-kontinuierliche Strukturanordnung und die ferromagnetischen Eigenschaften der Struktureinheiten 324a, 326a, 326a, 324b, 326b eine effektivere Abstimmbarkeit der Grenzfrequenz des Dämpfungselements 310 und zudem eine einfachere Herstellung und Montage.
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Unter Bezugnahme auf 3E ist nun ein Dämpfungselement 312 dargestellt, das im Wesentlichen dem mit Bezug auf 3A erläuterten Dämpfungselement 306 ähnlich ist. Das Dämpfungselement 312 kann eine oder mehrere über ein Kopplungselement miteinander gekoppelte rohrförmige Strukturen 328a, 328b beinhalten, die z. B. ein Kurzschlussband 325 (3A und 3B) oder ein metallisches Element 329 (3E), wie z. B. eine Metallplatte (siehe z.B. 4A), beinhalten können.
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Unabhängig von den einzelnen Ausführungsformen, die unter Bezugnahme auf FIG. {3A-3E erläutert werden, ist zu beachten, dass die in einer der Ausführungsformen in der Dämpfungswirkung abgeführte Energie die DC-Verbindungsleiter selbst nicht erwärmt (d. h. sie wird thermisch entkoppelt). So wird z. B. die Wärmeableitung des Dämpfungseffekts auf die ersten und zweiten rohrförmigen Strukturen 320a, 320b und nicht auf die DC-Verbindungsleiter 351a, 351b, 353a, 353b des DC-Bus 350, 352 übertragen.
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Unter Bezugnahme auf 4A-4B wird nun ein DC-Bus 450, 452 für ein duales Leistungswandlersystem 400 einer Ausführungsform entsprechend dargestellt. Das duale Wandlersystem 400 ist im Wesentlichen dem dualen Wandlersystem 200 ähnlich, diese ähnlichen Merkmale werden daher nicht im Detail erläutert. In der Ausführungsform von 4A kann das System 400 ein Dämpfungselement 406 beinhalten, das eine Platte 420 (z. B. eine Metallplatte) enthält. Die Platte 420 kann ferromagnetische, nichtferromagnetische oder andere geeignete Materialien aufweisen und kann so angeordnet sein, dass sie den von den DC-Verbindungsleitern 451a, 451b, 453a, 453b erzeugten magnetischen Fluß abfängt.
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Wie in 4A und 4B dargestellt, kann die Platte 420 so angeordnet werden, dass mindestens eine Oberfläche der Platte 420 im Allgemeinen senkrecht zu den magnetischen Feldlinien 453 angeordnet ist, die durch die DC-Verbindungsleiter 451a, 451b, 453a, 453b erzeugt werden. So sind beispielsweise die DC-Verbindungskreisleiter 451a, 451b, 453a, 453b, 453b so angeordnet, dass ein in den Leitern induzierter Strom ein entsprechendes Magnetfeld mit der Vielzahl von magnetischen Feldlinien 453 erzeugen, die sich im Allgemeinen senkrecht zu einer ersten Richtung des Stromflusses (z. B. in einer x-Richtung) erstrecken. Dies wiederum ermöglicht die maximale Induktion von Wirbelströmen mit einer zweiten Richtung des Stromflusses, wie die Kreislinien 424 in 4A zeigen, die in einigen Ausführungsformen entgegengesetzt zur ersten Richtung des Stromflusses sein können.
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Zusätzlich wird durch die in der Platte 420 induzierten Wirbelströme die Wärmeableitung eher in der Platte 420 als über die DC-Verbindungsleiter 451a, 451b, 453a, 453b erfolgen (d. h. die Platte 420 wird thermisch von den DC-Verbindungsleitern entkoppelt). Da die Energieübertragung durch Induktion erfolgt, ist es die Änderungsgeschwindigkeit des Magnetflusses, die eine proportionale Reaktion in den DC-Verbindungsleitern 451a, 451b, 453a, 453b erzeugt, die ihrerseits die Übertragung niederfrequenter Signale ermöglicht und gleichzeitig höherfrequente Wechselstromsignale verhindert.
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Unter Bezugnahme auf FIG.. 5A und 5B wird ein DC-Bus 550, 552 und das entsprechende Dämpfungselement 506 für ein duales Wechselrichtersystem 500 einer Ausführungsform entsprechend dargestellt. In 5A ist eine schematische Darstellung des dualen Wechselrichtersystems 500 und des Dämpfungselements 506 in 5B gezeigt. Es ist zu beachten, dass das duale Wechselrichtersystem 500 im Wesentlichen dem System 200 ähnlich ist, weshalb gleiche Bezugsnummern verwendet werden, um gleiche Merkmale und Komponenten zu bezeichnen. Im Unterschied zum System 200 kann das Dämpfungselement 506 des Systems 500 eine elektrische Übertragungseinrichtung 520 beinhalten, die mit mindestens einem DC-Verbindungsleiter (z. B. DC-Verbindungsleiter 553) von DC-Bus 550, 552 gekoppelt ist. Der DC-Bus 550, 552 kann über die Verbindungsleitungen 553, 554 elektrisch mit dem Buskondensator 512a, 512b gekoppelt werden. Wie in 5A dargestellt, können die jeweiligen Buskondensatoren 512a, 512b gemeinsam mit einem oder mehreren Schaltkreisen (z. B. Leistungsschaltkreis 507a, 507b) angeordnet sein, um eine erste Leistungsumkehrschaltung 508a und eine zweite Leistungsumkehrschaltung 508b zu bilden.
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Die elektrische Übertragungsvorrichtung 520 kann in einigen Ausführungsformen einen ferromagnetischen Kern 522 oder andere geeignete elektronische Vorrichtungen beinhalten. Der Primärschaltungsabschnitt 524 wird durch Wicklung 522 gezeigt, der Sekundärkreisabschnitt 526 besteht jedoch aus dem Kern selbst (522) sowie aus den darin erzeugten Wirbelströmen. Die elektrische Übertragungsvorrichtung 520 kann in weiteren Ausführungsformen einen Transformator mit einem beabstandeten Kern mit vorbestimmten Abmessungen beinhalten, der entsprechend konfiguriert ist, eine magnetische Sättigung zu verhindern.
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Wie in 5B dargestellt, kann der DC-Verbindungsleiter 553 um den Primärkreisabschnitt 524 des ferromagnetischen Kerns 522 gewickelt werden, der einen nicht laminierten festen Kern aus einem leitenden Material umfassen kann. In einer solchen Anordnung wird ein wechselnder Strom im DC-Verbindungsleiter 553 starke Wirbelströme im ferromagnetischen Kern 522 induzieren, so dass die Möglichkeit besteht, die aus den Wirbelströmen resultierenden Leistungsverluste zur Dämpfung des Systems operieren zu lassen. Darüber hinaus wird der DC-Verbindungsleiter 553 ähnlich wie die vorstehend unter Bezugnahme auf 3A und 4A beschriebenen Ausführungsformen vom ferromagnetischen Kern 522 thermisch isoliert.
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Ohne den Zielsetzung, die Auslegung oder die Anwendung der nachstehend aufgeführten Ansprüche in irgendeiner Weise einzuschränken, stellt eine technische Wirkung von einer oder mehreren der hierin offenbarten beispielhaften Ausführungsformen ein System zur Dämpfung der DC-Bus-Resonanz dar. Das System hat den besonderen Vorteil, dass es die Erzeugung von Wirbelströmen nutzt, um die Resonanzdämpfung des Systems bereitzustellen.
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Während das Obenstehende beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschreibt, dürfen diese Beschreibungen nicht in einem einschränkenden Sinne betrachtet werden. Vielmehr können andere Abweichungen und Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang und Geist der vorliegenden Offenbarung, wie in den beigefügten Ansprüchen festgelegt, abzuweichen.
